Фезометр

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1)4 С 0 00 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ДЕТЕЛЬСТ ВТОРСНОМ(56) Титце У,никовая схемо1982, с.92,АвторскоеВ 1200196, кл Бюл. У ий авиа овского ный инсти-. ник и В.Л7(088.8)Шенк К, П орокопу лупроводир,во СССР/00, 1985,хник а.с.1 3-5 а.идетельсС 01 К 2 сист занн ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к фазоизмерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз. Входные сигналы с по мощью гетеродина 3 преобразуются на промежуточн;ю частоту с помощью смесителей 1 и 2. Далее полученные сигналы возбуждают автоколебательнуюему (АС), состоящую из двух свяых между собой колец, содержащих однополосные смесители 4 и 5, выделяющие сигналы суммарной частоты, однополосный смеситель 6, выделяющий сигнал разностной частоты, который после усиления в широкополосном усилителе 7 подается на второй вход одно- полосного смесителя 4 и на вход квадратора 9, выходной сигнал которого имеет удвоенную частоту .и подается . на второй вход однополосного смесителя 5. Частота, установившаяся в АС на выходе усилителя .7 и измеряемая частотомером 8, линейно связана с измеряемым фазовым сдвигом, Степегь ли" нейности зависит от выбора характеристик фильтров 15, 16 и 17, входящих,в однополосные смесители 4, 5 и 6. Оптимальный выбор характеристик этих фильтров чебышевского типа позволяет достигнуть более высокой линейности преобразования, чем в прототипе. На чертеже также показаны аналоговые перемножители 10,12,13, 14 и переходной конденсатор 11. 3 ил,Изобретение относится к фазоиэмерительной технике.Цель изобретения - повышение точности измерения разности фаз.На фиг.1 представлена структур-.ная схема, фазометра; на фиг.2 - графики зависимостей величин, характеризующих степень отклонения хода фаэочастотных характеристик (ФЧХ) устройства-прототипа от линейного закона; на.фиг.ц - график зависимости ве"личины, характеризующей степень отклонения хода фазочастотной характеристики предлагаемого устройства 15от линейного закона,Фазометр содержит два преобразователя 1 и 2 частоты соответственнов опорном и информационном каналах,гетеродин ц, первый 4, второй 5 и щтретий 6 однополосные смесители, широкополосный усилитель 7, частотомер8, квадратор 9, состояший иэ последовательно соединенных аналоговогоперемножителя 10 сигналов и конденсатора 11. Каждый иэ трех смесителей4 " б содержит последовательно соединенные аналоговый перемножитель ифильтр; позициями 12 - 14 обозначены аналоговые перемножнтели сигналов ц 0позициями 15 и 16 - фильтры верхнихчастот (ФВЧ), позицией 17 - фильтрнижних частот (ФНЧ). Выход гетеро- . дина ц соединен с первыми входамисмесителей 4 и 5, Выходы преобразователей 1 и 2 подключены соответственно к первым входам однополосныхсмесителей 4 и 5, выходы которых соединены соответственно с первым ивторым входами третьего смесителя 6, 40выход которого подсоединен к входуширокополосного усилителя 7., выход .: последнего подсоединен к .второму вхо- ду первого, однополосного смесителя4 непосредственно и через квадратор 459 к второму входу второго однополос" ного смесителя 5. Частотомер 8 под-. ключен к выходу широкополосного усилителя.Устройство работает следующим об 50 разом.Опорный и информационный сигналы, сдвиг фаз ДС между которыми необходимо измерить, с помощью преобразователей 1 и 2 частоты и гетеродина 355 преобразуются в колебания с промежу- точной частотой у сохраняя при этом неизменным сдвиг фаз ЬЧ . Эти сигналы поступают на вторые входы однополосных смесителей 4 и 5, на первые входы которых подаются колебанияс выхода широкополосного усилителя 7в первом случае непосредственно, аво втором - через квадратор 9, В результате гетеродннирования на выходесмесителей 4 и 5 выделяются сигналы,поступающие на первый и второй входытретьего однополосного смесителя 6соответственно,На выходе однополосных смесителей4 и 5 выделяются сигналы с частотами, равными сумме частот колебаний,подаваемых на входы соответствующихсмесителей, а на выходе третьего однополосного смесителя 6 имеется сигнал с частотой, равной разности частот колебаний, поступающих на первыйи второй входы этого смесителя соответственноТаким образом, на выходесмесителя б возникнут колебания частотой, соответствующей частоте сигнала с выхода усилителя 7, которыйпоступает на первые входы смесителей4 и 5. Следовательно, фаэометр представляет собой АС, образованную включенными в кольцо широкополосным усилителем 7 и цепью обратной связи,входом которой являются соединенныевместе первый вход смесителя 4 ивход квадратора 9, а выходом - выход смесителя б. В этой системе привцполиении условий баланса амплитуди баланса фаз возникают незатухающие колебания с частотой Я, значение которой зависит от значения измеряемого сдвига фаз Ь( . Измеряячастоту Я с помощью частотомера 8,судят о величине Д( .Если обозначить сигналы на выходе преобразователей 1 и 2, а также на выходе усилителя 7 соответственно в виде 8, =8;совЯ Е; 8(С)=+1 у), то можно записать следующие1соотношения 8 (й)= - 8 (сов(2 И +4 2+2 у)+1) - сигнал на выходе аналогового перемножителя 10; 8(1)- 8 сов (2 Я С+2 - сигнал на вы 13. тходе квадратора 9.Конденсатор 11 в квадраторе 9, непропуская постоянную составляющуюна первый вход смесителя 5, практически не изменяет амплитуду сигнала8 при изменении частоты Я в пределах Я а е 0 ь тпо, ял ах 3(4)г ЛБ.где о = о +(25На основании соотношения (4) видно, что значения частоты Я. прямопропорциональны величине Ву.Для возникновения незатухающихколебаний в АС кеобходимо выполнитьеще одно условие - условие балансаамплитуд. Оно достигается выборомкоэффициента усиления К) широкополосного усилителя 7 из условия16К ) -- . - ;, (5)2 йЗЬ При выводе соотношения (5) считалось, что модуль коэффициентов передачи фильтров 15, 16 и 17 в их голосе припускания близок к единице. Привыполнении условия (5) широкополосный усилитель 7 компенсирует все потери сигналов в,смесителях 4, 5 и 6и квадраторе 9 при их преобразовании,что приводит к генерации незатухающих колебаний, частота которых опре 45 деляется из соотношения (4),При изменении сдвига фаз 6( навеличину.8( частота колебаний, генерируемых АС в соответствии с выражением (4), изменяется на величинубОЯ (6), Измеряя величину Зу посредством частотомера 8, судят о величине 8(рСледовательно, точность измерения неЬБизвестного сдвига фаз щ зависит отнелинейности характеристики преобразования, т. е, от зависимости частоты. сигнала от сдвига фаз й(+( +агя К,(3( ) )сигнал на выходе ФВЧ 15, где К(3 И)1- модуль, агя К(3 Я) - аргумент комплексного коэффициента передачи К (3 Я), К (3 Я) комплексный коэффициент передачи ФВЧ 15; Б,(С)= Бф,В,) сов (и,С +д(рв4+ 2( + агя, К (3 Ясигнал на выходе ФВЧ 16 с коэффициентом передачи К(3 О)Аналогично сигнал на выходе третьего однополосного смесителя 6 можно записать в виде: Бв(с)7 д Б, Беде К,д),) Ндвд) )/ к, д 7 е)/ сов (и,сед(+77+ + агя Кз(ЗО)+аг 8 КДЯ )- - агя К, (Зй,) ) Б (1)где К (3 р) - комплексный коэффициент передачи ФНЧ 17. Таким образом, при преобразова- . нии сигналов в смесителях так, что частота сигналов на выходе смесителей 4 и 5 равна сумме частот колебаний, поданных на входы соответствующих смесителей, а частота сигнала на выходе смесителя 6 - разности частот колебаний, поступающих на его первый и второй входы, на вход широкополосного усилителя 7 подается сигнал с частотой Я , фаза которого зависит от величины Щ . Для того, чтобы найти зависимость частоты Я от величины сдвига фаз дц), уравнез 14658074В то же время для фазометра спра- ние баланса фаз для АС можко запиведливы следующие выражения: сать в виде1 г -Я(+ДЦ)+= 2 и К (2) 86(Г) БГ) 82 В 18 ъ сов(Р 73 " где С - время запаз"швали)е ра(д+ц)есов (и с-(Б) а,в ииРавалолосиои Усилителе 77. сигнал на выходе аналогового перем- (=агК К(3 до)+агКК(3 ) агИ К, (Я;Е ножителя 12, где Ю =дд 7, +Ю Бр = К:+О 1 2 = (Д 7 Ца1 ОВ предложенном устройстве с больБ (Г,)=8 (г,) Б (г) = - Я 8 Гсов шой точностью выполняется соотноше 74Ф +ние(Д 7 С ев(+БЕ 7)+сов (и С+ДМ едсигнал на выходе аналогового перемножителя 13, при этом Я =(д, +2 Я,(10) 0 18 55,2 дБ 20 18 в 1 и го ть виг а(Ф,ом, на основаниоторое имеет пулможно определиение 3 д, прирую выражения (9)стигает своего8 = -а. Подставажение (9), пол Таким образражения (9), кющий характерсимальное эначвая производиВеличина Ф дмума при совзначение в вы ьсируь макнулю акси в э чают В известном устройстве нелинейность характеристики(У) преобразования устройства возникает главнымобразом в двух последовательно соединенных однополосных смесителях,выходной сигнал которых наступает нафазовый детектор системы фазовой автоподстройки частоты:(Р)=агсгв К а (3)- "агсг 8 К", Ц Ч ), (7)где К,(1 Р), К ЦР ) - комплексные.коэффициенты передачи ФНЧ указанныхдвух смесителей,В связи с тем, что первый ФНЧ неполностью подавляет сигнал суммарнойчастоты У на выходе существует двасигнала с частотой, иэ которыхпаразитный составляет малую долюполезного. В результате их сложениясуммарный сигнал. с частотой Ф имеет сдвиг фаз ЕИ ) Ч +И 2)+ 3 ( Р а, ЬЧ)(8) где(Р,а, Щ) - дополнительный сдвиг фаз, вызванный наличием паразитного сигнала При этом если даже величина(У, ) является линейной функцией частоты 9 , выражение (8) не является линейной функцией часто 9 , поскольку зависимость 3 от ф нелинейна-. Действительно, при2сложении двух колебаний одной частоты, одно из которых имеет единичную амплитуду, а другое - амплитуду а ( 1, сдвиг фаз между ними равен 8 результирующий вектор получает сд фаз Ъ относительно вектора с еди кичкой амплитудой 1+а совдагссов4+а +2 а сова В случае применения двух последовательно включенных смесителей сдвиг фаз 6 между параэитным и полезным сигналами+агя К, (Ф )+агд К, ЦФ) а 5На основании соотношения (11) можно определить требуемое подавление о сигнала с частотой У в фильтре первого смесителя, чтобы значение 10 Ъне превышало заданного значения, например, не превышало 9а =0,1 . Тогда для обеспечения этого требования необходимо, чтобы сигнал с суммарной частотой У был бы по давлен ФНЧ первого смесителя на Допус тим . круговая частота Р,=27. (1,5 мГц), а частота сигналапоступающего на первый смеситель, впроцессе работы известного устройства ф, =2 7 (О, 5-1,0 мГц) . Частотасреза первой ФНЧ К, = 1 мГц, аминимальное значение частоты У=27 (2 мГц). Тогда фильтр первосмесителя должен подавить сигнал ссуммарной частотой Уна 55,2 дБ,что позволяет получить ошибку, не30опревышающую 0,1 , Применяют фильтрЧебышева 7-го порядка с неравномерностью 0,5 дБ, который на частотепревышающей в два раза его частбтусреза, обеспечивает затухание близЧ";кое к 55 дБ,Учитывая, что на выходе второгосмесителя имеются комбинационные составляющие с частотами У =29, -440 4 1 2 фи 94 = 2 Р + У, которые должныподаваться фильтром, входящим в его.состав, частота среза этого фильтраЙ = 1 мГц, т.е. фильтр второгосмесителя подобен фильтру первогосмесителя и обеспечивает подавление45компоненты с частотои г , наиболееблизкой .к частоте среза Г, , не менее чем на 55 дБ. Используя указанные выше параметры фильтров, можнообеспечить допустимую ошибку %= 0,1 , На фиг.2 (поэиция 18) приведен график зависимости величины 3характеризующей степень отклонениякривой(Р) от линейного закона дляфильтров ФНЧ с параметрами, определенными выше. Как видно, в этом случае характеристика(Р) является взначительной степени нелинейной иовеличина о достигает 21 . Уменьшитью7 1465807нелинейность зависимости Егр) можно, лоданление фильтром 15 сигнала с подобрав настотм срезов 1,з, и б р , , частотой ат, - Оз; аз - подавление добиваясь наибольшей линейности зави- фильтром 16 сигнала с частотой сд, симости (Р). Так, если частоты сре-2 Ызов ФНЧ чебьппевского типа 7-го поряд- . Допустим, что величина Рз ка Е, = 1,21937; й. =1,217201, е 2 ь (1,5 мГц), а значения частоты неравномерность в полосе пропускания в процессе работы устройства Я фильтров первого смесителя о, = . д 2 ю (О, 5-;1,О мГц). Тогда для фнльт= 0,03 дБ, если неравномерность .филь. 1 О ров 15 и 16 о; = 40 дБ, О =80 дБ. Из тра второго смесителя задать о = выражения (10) следует, что при дан 10 дБ, то нелинейность характери-., ных значениях а, и а ошибка для стики Д (Р) уменьшится в 10 раз и .данного устройства Я = агссов величина 8 не будет превьппать 2 (цо-афо зиция, 19). Однако дальнейшее умень 1 - 10шение нелинейности характеристики, (Р) в известном устройстве невоэ- . , Та;сим образом, устройствоможно, т.к, параметры фильтров ФНЧ, : ляет значительно повысить точностььзкоторые позволили получить 8 =2 , : измерения разности фаз. получены путем решения минимиэацион-, 2 Оной задачи на ЗВИ,. Ф о р м у л а и з б р е т е н и яАналогично рассчитывают частоты .срезов фильтров 15, 16 и 17, прифазометр, содержащий два преобраэтом фильтры 15 и 16 имеют 6-й поря :эователя частоты соответственно в док, а фильтр 1 У - 5-й. В результаюпорном и информационном каналах с те расчета Г =1,871 мГц (фильтр ;.гетеродином выходами подключенными 15),4 =2,288 мГц (фильтр 16), к входам этих преобразователей, пер- Й=1,137 мГц (фильтр 17). вый и второй однополосные смесители,Неравномерности в полосе пропуска- первые входы которых соединены с выния фильтров чебьппевского типа юСзщ ЗО ходами преобразователей соответст дБ (фильтр 15)р-Ы =0,3168 дВ . венно в опорном и информационном ка (фильтр 16), о 9 = 10 дБ (фильтр 17). калах и ч стотомер, о т л и ч а ю "В этом случае (фиг.3) нелинейность щ и й с я тем, что, с целью повыше- характеристики ( (Р) в 20 раз мень- , ння точности измерения разности фаз, ше нелинейности характеристики (Р) выходы первого и второго однополосизвестного устройства даже с учетом ных смесителей подключены соответстего оптимизации. В этом случае ошиб- . венно к первому и второму входамока не превьппает 0,1 .. третьего однополосното смесителя, выВ то же время на выходе однополос-. ход которого соединен с входом широного смесителя б данного. устройства :40 кополосного усилителя, а выход этого имеет место паразитный сигнал с час- усилителя подсоединен к второму вхо. тотой Я . Наличие паразитного сиг-:ду первого однополосного смесителя, нала, приводящего к нелинейности ха : а также к входам квадратора, выходрактеристики преобразования, иа вы-которого соединен с вторым входом ходе смесителя б обусловлено непол", 45 второго однополосного смесителя,квадным подавлением такого сигнала в ратор содержит последовательно соедифильтрах 15 и 16 с частотами Я, - И иенные аналоговый перемножитель сиги я, - 2 сд . При этом ларазитный сиг- валов и конденсаторр частотомер поднал на выходе смесителя 6 подавлен соединен к выходу широкополосного на величину а = й, + о дБ, где б 1 т - усилителя. во поз о а-й 0 аказ 941/4 б Тираж 711 Подписно НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открь 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. В м нри ГКНТ омбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 10 одствснно-изд льск Составитель Ю.МакаревичРедактор Л.Пчолинская Техред А.Кравчук Корректор М.Пожо